（3）竖直平面内的运动。装置大致如图4、图5所示。 3．抽象出实验模型并设计其它实验方案
若一个实验有多种实验方案，则这些方案必有某种联系或共同特征。如果能够根据某一实验方案，分析出它们的共同特征，就可抽象出某一实验模型，就可以设计出其它实验方案。 例2：牛顿第三定律。
有一个验证牛顿第三定律的实验方案是这样的。在一个圆盘测力计A上挂一块磁铁，在另一个相同的圆盘测力计B上放一块铁（使其与磁铁等重），两测力计的示数相同，如图1。然后，将测力计A移到测力计B的上方。这时，铁块与磁块要相互作用，作用的结果使得两测力计的示数发生了变化——A的示数增大、B的示数减小，如图2。这说明铁块对磁铁的作用力的方向向下，磁铁对铁块的作用力的方向向上。A增加的示数等于B减小的示数，由此说明铁块与磁铁之间的相互作用力的大小是相等的。综上所述，可得到结论：铁块与磁铁之间的相互作用力大小相等、方向相反、且分别作用在不同的物体上。
这个实验用了这样一个模型：准备两个包含测力装置（如测力计）的系统（如图1中的a和b，让这两个系统或系统中的一部分（如磁铁和铁块）相互作用，作用的结果由各自的测力装置反应出来，分析测力装置示数的变化从而验证牛顿第三定律。
根据这个模型，可以设计几十个实验方案。下面举3个例子。
（1）上面这个实验说明了磁引力满足牛顿第三定律。如果将图1中的马蹄形磁铁
图2 图1 和铁块都换成圆形磁铁，并且使其极性相对，即可演示说明磁斥力也满足牛顿第三定律。
（2）如图3所示，将重物P搁在托盘测力计的托盘上。可见，弹簧秤减少的读数与托盘测力计增加的读数相同。由此说明重物P与托盘之间的相互作用力（弹力）满足牛顿第三定律。
（3）如图4所示，将废电池P浸在杯里的水中。可见弹簧秤减小的读数与
图3 图4 托盘测力计增加的读数相等。由此说明电池对水的压力与水对电池的浮力（两者都是弹力）满足牛顿第三定律。
4．利用相同的实验方法解决不同实验中相同的问题
许多实验，其实验目的虽然各不相同，但实验中需要解决的问题是相同的或相似的。在分析某实验
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的设计思想和实验方法后，不仅需要考虑此方法（或模型）的优缺点，由此设计出其它的方法或不同的方案，还要考虑此方法（或模型）能否用于其它实验之中。 例3：微小形变的显示。
一切物体在受到压力或拉力时都要发生形变，钢丝也不例外，只不过它不像橡皮筋的形变那样显而易见。
在一般情况下，钢丝受到外拉力后的相应伸长是微小的。如何让这个微小的伸长显示到足以使学生能明视的程度，是钢丝受力伸长实验的装置中必须要解决的问题。解决的办法显然只能设法放大，因为取一段很长的钢丝的办法是不可取的。放大的方法有多种，如用力学的方法、电学的方法、电子学的方法、光学的方法等等。这些方法在这个实验中都可以用，但是最方便的方法还是利
图1 用杠杆原理进行杠杆放大的方法。根据这一思想可以设计如图1所示的实验装置。
初中的热膨胀实验也是一个需要解决微小的长度变化放大问题的实验，它也可采用与图1所示的装置原理和结构类似的装置，如图2所示。
在图1、图2所示的杠杆放大装置中，装置的放大倍数是不大的。上述的放大形式称为一级放大。若需放大倍数大些，可采用二级放大的形式（如图3所示）。
若需要说明铜和铁的热膨胀系数不同，可把两个如图3所示的装
图3 图2 置并在一起（成为一个仪器），然后让长度相同的铜棒和铁棒在相同的情况下加热，由各自指针偏角不同来说明之。
3.5 实验方案的设计与比较
对每一个实验，要尽可能地收集和设计实验方法和方案，以便于比较。 1．实验方法和实验方案的比较
一个实验，可有多种不同的实验方法，它们依据不同的实验原理，可用于不同的教学阶段，服务于不同的教学目的。同样，一种实验方法，也可以有不同的实验方案。 例1：加大内阻的方法。
闭合电路欧姆定律实验装置中加大内电阻的方法，一般有两种。其中一种是用减小原电池内部离子通道截面积和增加长度的方法来增加内电阻。这种方法常用的方案有以下几种。 （1）用盐桥拆开原电池，如图1所示； （2）用隔板拆开原电池，如图2所示；
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（3）用可变内阻的蓄电池，如图3所示； （4）用半透膜隔开原电池，如图4所示；
图1 图2 图3 图4
2．实验方法和实验方案的选择
由于教学时间所限，对同一实验的不同实验方案要进行选择，而选择的依据是服从教学目标和教学要求，同时还应考虑演示实验和分组实验的要求。一般而言应注意如下几点： （1）仪器装置简单明了，易于搭配或制作。
（2）现象清晰、效果明显、易于操作、安全可靠、重复性好。 （3）紧密配合课堂教学。 （4）学生易接受。
例2：通电导线在磁场中运动的。
比较图1到图4所示的装置，从结构来看，图1、图2的装置简单明了、易于搭配；从效果来看，也是图1、图2的装置现象清楚较直观；从便于课堂教学讲解来看，对于初中学生，似乎图1的装置更直接，更方便一些。在图1所示的实验中导线向右运动就只向右运动，而在图2的装置中，导线向左运动后还要向右摆回来，然后还有一个振动过程。因此，综合起来看，还是图1所示的装置好。
图1 图2 图3 31
图4 图5 例3：吸气球实验。
先在一个空瓶（如盐水瓶、三角烧杯等）里倒入1/4容积的热水，晃动一下瓶子，将水倒出，随后迅速将一只气球套在瓶口上，让瓶内的空气与瓶外空气隔开，然后把瓶子放在盆里用冷水浇瓶的四周（或将瓶子插在冷水中），使瓶内的空气较快冷却，可见，气球被吸入瓶内，且渐渐变大，如图所示。
这个实验常被用来说明大气压的存在。当然，气球的吸入与大气压不无关系，但如何向初中学生讲清这个实验的原理，而又能为学生所理解和接受呢？这是很困难的。因为初中学生并没有这样的知识：一定质量的气体，当其温度降低时，其压强要减小。所以，这个实验在初中讲授大气压强时演示不太合适，而应当在高中讲气体性质时演示。
3.6 实验装置与实验器材的选择
实验仪器和材料是不可缺少的，若不搞清楚实验装置的原理，不了解仪器的原理、结构、性能，不了解材料的特性，就不能合理地选择器材，不能很好地使用那个仪器，充分发挥实验器材的作用，也不能有效地进行实验。同时，加强对实验装置和器材的研究，对于仪器的自制、实验的设计、装置的确定和搭配等都有好处。 1．分析装置的原理和特点
要做到合理地选择实验装置和实验器材，首先应分析装置的原理和特点。不了解装置原理就不能合理地选择器材，不能抓住实验的要点，并正确地进行操作。忧郁装置原理大多是由设计思想决定的，因此，分析装置原理，进一步了解设计思想和实验方法，有利于了解装置的特点，有利于实验装置的改进，以及激发设计新的实验装置的灵感。 例1：感生电动势的演示。
高中物理课本在引入感生电动势概念后便指出，“在电磁感应现象中，不管电路是否闭合，只要穿过这个电路所围面积的磁通量发生变化，电路中就有感生电动势。如果电路是闭合的，电路里就有感生电流，如果电路是断开的，电路中就没有感生电流，但感生电动势仍然存在。”
为了帮助中学生理解这段话，我们应该创造条件让学生观
察到当电路不闭合时，感生电动势仍然存在的现象。为此，可采用如图所示的实验装置。图中，C为线圈，S为碰撞开关，A，B为靠得很近但不接触的绝缘金属平板。
装置左边的虚线框中的部分相当于一个电池，右边的虚线框中的部分就是图示装置的“迁移”——用以显示感生电动势存在的显示装置。
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当条形磁铁从线圈中迅速抽出时，线圈中的磁通量迅速变小，线圈导线中的自由电子在涡旋电场的作用下，向某一平板堆聚，从而使两平板带上大量异号电荷。当条形磁铁冲击碰撞开关，切断了A板与线圈的通路，A板上的大量电荷就被保留下来了。这时，A板上的对地电压是不大的（充其量等于磁铁抽出产生的最大感生电动势），它不一定能使验电器张开一个可见的角度。然后，移开B板，使平行板电容器的电容大大减小，这时，A板的对地电压就大大增大了，可见，验电器箔片张开了一个明显的角度。
由验电器箔片的张开，说明了平行板两极板上带上了电荷，说明了在磁铁抽出线圈——线圈内磁通量变化时，两极板间——线圈的两端存在着
图1 电压，即线圈内存在着电动势——由电磁感应而产生的感生电动势。 例2：光电效应的演示。
高中物理课本在讲到光电效应时，都首先介绍了这样一个实验：把一块擦得很亮的锌板连接在灵敏验电器上，用弧光灯照锌板（图1），验电器的指针就会张开一个角度，表示带了电，进一步检查知道锌板带的是正电，这是因为它的电子在紫外线的照射下从表面飞出，锌板中缺少了电子，于是带正电。
这个实验按课本所述的方法，一般不太容易成功。其原因是：开始时，锌板上的电子在紫外线的照射下从表面飞出去，锌板就带上了正电，在周围的空间里就形成了一个电场，这个电场对电子的飞出有一个阻碍作用（即锌板上的正电荷对飞出电子的吸引作用）；随着飞出的电子增多，锌板上所带正电荷增多、电位升高、周围的电场增强、对电子飞出的阻碍作用增大，直到电子飞出时的最大初动能与电子在电场中的电势能相等时，电子就无法飞离锌板，锌板上的电荷就不会再增强，电位也就不再升高，于是就达到了平衡状态。这时，锌板的电位可以高到多少伏呢？对此，我们可以这样来推算，根据爱因斯坦光电效应方程
12mvm?h??h?0 212及达到平衡的最大初动能等于其静电势能mvm?eU可知，锌板可达到的电位为：
2U?式中：h＝6.63×10
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h???v0? e－19
J·s，v0＝8.065×1014Hz，e＝1.60×10
C．
一般弧光灯发出的紫外线频率r的数量级可达1015Hz，所以，U的数量级仅为100V，即至多达到几V（最多不超过几十V），而一般指针验电器对几伏的电位差是检验不出来的，这就是课本所述的方法一般不易成功的道理。
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